FreTak - ein Taktgeberfür 24-V-Uhren

Vorschlag für den Nachbau eines sehr einfach zu bedienenden Uhrtaktgeber für 24-V-Uhren, wie sie auf Fremo-Treffen verwendet werden. Der Taktgeber hat einen Schalter für Start/Stop/Schnell und einen Regler für die Geschwindigkeit zwischen 1:3 und 1:6.

Als Controller wird ein Arduino Nano und als Treiber ein L293D verwendet. Zusätzlich braucht es noch einen Spannungsregler 7805 und ein 24-V-Steckernetzteil.

Wie wird eine 24-V-Uhr angesteuert?

Der Motor in der Uhr besteht aus zwei Magnetspulen, die abwechseln bestromt werden müssen, um den Zeiger jeweils eine Minute weiter zu rücken. Damit man dafür nur 2 Anschlusskabel benötigt, sind den Spulen zwei gegenseitig gepolte Dioden vorgeschaltet. Das bedeutet, man muss zunächst einen 24-V-Impuls der einen Polarität anlegen, danach einen Impuls der anderen Polarität usw. Die Impulslänge sollte zwischen einer halben und einer ganzen Sekunde betragen. Einfache Relais-Steuerungen erzeugen manchmal keine Impulse, sondern polen eine feste Spannung jede Minute um. Diese Art der Ansteuerung wird jedoch nicht empfohlen. Die von mir verwendeten Uhren ziehen nur 6 mA (!) während des Impulses. Eine solche Uhr braucht also sehr wenig Energie und kann mit recht leistungsschwachen Treibern betrieben werden.

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung benötigt nur sehr wenige Bauelemente. Kern ist ein Treiberschaltkreis L293D (D steht für induktive Lasten), der 2 Paare von Leistungsverstärkern besitzt. Es wird nur die eine Hälfte des IC benutzt, also das eine Paar. Der Eingang eines Verstärkers bestimmt per LOW oder HIGH, ob der Ausgang auf Plus oder Masse gezogen wird. Ein zusätzlicher Triggereingang bestimmt für beide Verstärker, ob die Ausgänge leitend sind, oder nicht. Die Anschlüsse der Uhr hängen an den beiden Ausgängen. Alles was wir tun müssen, ist den einen Eingang auf LOW und den anderen auf HIGH zu setzen, und dann den Triggereingang für eine halbe bis eine Sekunde auf HIGH zu ziehen.

Für die Ansteuerung der 3 Eingänge des L293D werden 3 Ausgänge des Nanos verwendet (Pin 6,11,12). Ein Kippschalter mit Mittelstellung bestimmt den Modus (Start, Stop, Schnell) und hängt an den Eingängen 2 und 3 des Nanos. Für die Einstellung der Geschwindigkeit habe ich eine sehr einfache Lösung gewählt. Ein Poti hängt an dem Analogeingang A7. Der AD-Wandler setzt die 0 - 5V um in Werte zwischen 0 und 1024, die der Nano in eine Impulsfrequenz zwischen 20 und 10 Sekunden (entspricht einer Zeitverkürzung von 1:3 bis 1:6) umrechnet.

Für die Stromversorgung ist ein kurzschlussfestes 24-V-Steckernetzteil ausreichend, was heute sehr preiswert zu erwerben ist. Der 7805 erzeugt aus den 24 V die 5 V für Nano und L293D. Die Schaltung zieht ca. 60 mA, was ca. 1,2 W Verlustleistung am 7805 bedeutet, der deshalb unbedingt mit einem Kühlkörper zu versehen ist. Ich habe ein paar cm Alu-U-Profil aus dem Baumarkt angeschraubt.

Platine

Die Schaltung wird auf einer ca. 80 x 50 mm großen Streifenlochrasterplatte aufgebaut, die so konzipiert ist, dass sie in einer beim FREMO üblichen Loconet-Box Platz findet. Sie ist daher ziemlich dicht gepackt. Im Bestückungsplan sind die notwendigen Drahtbrücken der Übersicht halber mit unterschiedlichen Farben dargestellt. Blau ist Masse, rot +5V, grün die Anschlüsse für die Uhr und gelb die +24V. Die Rückstellsicherungen werden direkt an die Ausgangsbuchsen gelötet. Von dort führt der Draht an die Platine. Wenn man den L293D eine Streifenbahn weiter hoch rückt, könnten die ggf. auch noch Platz auf der Platine finden.

Gehäuse

Es erwies sich als sportliches Vorhaben, alle Teile in einer Loconet-Box unterzubringen. Die Platine wird mit zwei M2-Schrauben und Abstandshalter von 5 mm im Deckel festgeschraubt. Bei den Buchsen war kein Platz für die Befestigungsmuttern, worauf ich diese kurzerhand eingeklebt habe.

Der Deckel bekommt Öffnungen für Poti und Schalter. Außerdem muss am Rand ein wenig Material entfernt werden, damit sich bei einem Software-Update ein USB-Stecker an den Nano anschließen lässt, ohne das Gehäuse öffnen zu müssen (Dabei unbedingt von den 24 V trennen!). Das Gehäuse selbst bekommt die übliche Öffnung für die Befestigungszwinge und eine Reihe von Belüftungsöffnungen. An der Unterseite habe ich 3 größere Bohrungen von 6 mm platziert. An der Oberseite sind es 13 kleine 2-mm-Bohrungen. Somit wird verhindert, dass von oben kleine Teile hineinfallen können.

Ein Dauertest ergab, dass die Belüftung ausreichend ist. Die Oberseite des Gehäuses wurde nur leicht warm.

Die Beschriftung wird auf Papier gedruckt und mit doppelseitigen Klebeband befestigt.

Stückliste

Bezeichnung Bezugsquelle
Arduino Nano China
Alu-Profil 13x8 Baumarkt
Lochstreifenleiterplatte Conrad 1565097
Gehäuse H0fine Melinda Hellmann
Treiber L 293 D Reichelt L 293 D
Steckernetzteil 24V Reichelt HNP 12-240L6
Spannungsregler 5V Reichelt µA 7805
Einbaubuchse Reichelt DC 072341L
Kippschalter Reichelt RND 210-00464
Poti 5K Reichelt PIH SMC10V10502
Poti-Knopf Reichelt RND 210-00464
Rückstellsicherung Reichelt SCH PFRA.020
5K Widerstand (2x) vorhanden
Bananen-Buchse (2x) vorhanden



Quelltext

Beispiele, Anleitungen, Downloads

Einführung in Teensy & Co
Arduino IDE
Teensyduino Software
Pinbelegungen
Datenblatt L293D

Prototype/Versuchsaufbau auf Streifenlochrasterplatte

Als Controller wurde statt dem Arduino Nano ein Teensy 2.0 verwendet. Es werden andere Pins verwendet, die Funktion ist jedoch dieselbe. Der Prototype des Taktgebers wurde auf dem Fremo-Treffen in Nied 2020 getestet und funktionierte dort problemlos.

Bei dem Prototypen sind zusätzlich 3 LEDs mit 4,7k Vorwiderstand von den Ausgängen des Teensys nach +5 V verbaut (die sogenannten Angst-LEDs). An ihnen kann kontrolliert werden, ob die Ansteuerung des Treibers L293D richtig erfolgt - quasi, ob die Software die Ausgänge richtig schaltet. Die LEDs sind im Schaltplan nicht enthalten.